级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统与流程

1.本发明涉及电力电子技术领域，具体的，涉及一种级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统。


背景技术：

2.级联型高压储能变流器由于其高效率和优良的输出电能质量等优点，已成为中高压电力电子应用中最有前景的变流器之一。由于级联型高压储能变流器包含了大量的直流支撑电容器，其可靠性越来越受到人们的重视。由于处在大电流、高电压、高环境温度下，每个电容器都是潜在故障点。而研究表明热应力是加速电容器老化，缩短电容器工作寿命的首要因素。
3.由于电容器初始容值和老化速率不同，电容容值会随时间发生变化，使得级联型高压储能变流器中的各个子模块的电容容值存在差异。因此，各个子模块的运行状态也存在差异。该差异导致各个子模块的电容器损耗功率不相等，进而导致各电容器发热量不相等，形成了电容器的热分布。该热分布加剧了部分电容器承受的热应力，降低了系统整体的可靠性。现有研究并未针对电容器的热分布提出相应的解决措施。因此，优化电容器的热分布，实现电容器的热平衡，对级联型高压储能变流器的稳定运行至关重要。
4.经检索，中国发明专利公开号为cn108933535a，公开了一种级联型高压储能换流器的热平衡控制方法，该发明基于电容电压平衡算法把温度加入平衡算法中，既平衡了级联型高压储能的电容电压，又平衡了它的温度，此算法基于上一周期的开通子模块个数，排序时不需要对所有的子模块进行排序。该专利是针对级联型高压储能变流器的igbt及其反并联二极管器件进行温度平衡，并未涉及电容器的温度平衡。
5.基于现有研究的不足，现提出一种级联型高压储能变流器子模块电容器热平衡技术。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统，根据级联型高压储能变流器子模块电容器的热应力分布不平衡度，对子模块开关信号进行重分配，降低了电容器热分布的不平衡性，进而提高了电容器整体的寿命和可靠性，同时不影响级联型高压储能变流器的输出电能质量。
7.本发明的第一方面，提供一种级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法，包括：
8.s1，采用电容温度监测模块对级联型高压储能变流器系统一个桥臂上全部或局部电容器温度进行监测，根据测量或估算所得到的电容器热点、平均或关键点温度值，计算得到各子模块电容器平均温度；
9.s2，根据桥臂中单个子模块电容器温度与s1得到的桥臂全体子模块电容器平均温度的偏差，采用热平衡控制器生成热平衡系数；
10.s3，采用电容电压监测模块提取电容器电压波动值，与所述热平衡系数相乘，再与电容器直流电压相加，得到热平衡电容电压参考值；
11.s4，根据s3得到的热平衡电容电压参考值与级联型高压储能变流器桥臂电流的方向，通过电容电压平衡控制器进行子模块开关信号重新分配，其中，热平衡电容电压波动幅度更大的电容器所在子模块的投入优先级更低，通过减少电容器温度高于平均温度的子模块投入时间，增加电容器温度低于平均温度的子模块投入时间，获得参与热平衡控制的子模块开关信号，均衡电容器损耗功率，实现电容器热平衡。
12.本发明的第二方面，提供一种级联型高压储能变流器子模块电容器热平衡控制系统，包括：
13.电容温度监测模块，对级联型高压储能变流器系统一个桥臂上全部或局部电容器温度进行监测，根据测量或估算所得到的电容器热点、平均或关键点温度值，计算得到各子模块电容器平均温度；
14.热平衡控制器，根据桥臂中单个子模块电容器温度与得到的桥臂全体子模块电容器平均温度的偏差，生成热平衡系数；
15.电容电压监测模块，提取电容器电压波动值，将其与所述热平衡系数相乘，再与电容器直流电压相加，得到热平衡电容电压参考值；
16.电容电压平衡控制器，根据得到的热平衡电容电压参考值与级联型高压储能变流器桥臂电流的方向，通过电容电压平衡控制器进行子模块开关信号重新分配，其中，热平衡电容电压波动幅度更大的电容器所在子模块的投入优先级更低，通过减少电容器温度高于平均温度的子模块投入时间，增加电容器温度低于平均温度的子模块投入时间，获得参与热平衡控制的子模块开关信号，均衡电容器损耗功率，实现电容器热平衡。
17.本发明的第三方面，提供一种级联型高压储能变流器子模块电容器热平衡控制装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时用于执行所述的级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法。
18.本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时用于执行所述的级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.本发明提出的级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统，根据电容器的热应力不平衡度重分配子模块开关信号，实现电容器热平衡，不影响级联型高压储能变流器输出电能质量。
21.本发明提出的级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统，无需改变级联型高压储能变流器的硬件结构，不增加级联型高压储能变换器的成本，具有较强的实用性。
附图说明
22.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
23.图1为本发明一实施例的热平衡控制方法流程图；
24.图2为本发明一实施例的热平衡系统控制框图。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
26.参照图1所示，本实施例提供一种级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法，包括以下步骤：
27.s1，对级联型高压储能变流器系统一个桥臂上全部或局部电容器温度进行监测，根据测量或估算所得到的电容器热点、平均或关键点温度值，计算得到多个子模块电容器平均温度；
28.具体的，所监测的电容器平均温度表达式为:
[0029][0030]
其中，t
hs_avg
为电容器平均温度，t
hs_i
为桥臂上第i个电容器的温度，n为桥臂中所需要进行热平衡控制的电容器个数；子模块电容器为支撑子模块直流电压的由单个或多个电容器组成的直流母线电容器或电容器组。
[0031]
s2，根据桥臂中单个子模块电容器温度与桥臂全体子模块电容器平均温度的偏差，采用热平衡控制器生成热平衡系数；
[0032]
热平衡控制器采用比例-积分控制或比例控制，通过输入t
hs_i
，生成第i个电容器的热平衡系数ki，控制第i个电容器温度回归至所计算的平均值t
hs_avg
；
[0033]
s3，采用电容电压监测模块提取电容器电压波动值δu
c_i
，与热平衡系数ki相乘，并与电容器直流电压uc相加，得到热平衡电容电压参考值；
[0034]
本步骤中，热平衡电容电压的表达式为：
[0035]
u'
c_i
＝uc+kiδu
c_i
[0036]
其中，u'
c_i
为桥臂上第i个电容器的热平衡电容电压，uc为电容器直流电压，ki为第i个电容器的热平衡系数，δu
c_i
为第i个电容器的电压波动值；
[0037]
s4，根据得到的热平衡电容电压参考值与级联型高压储能变流器桥臂电流的方向，通过电容电压平衡控制器进行子模块开关信号重新分配，热平衡电容电压波动更大的电容器所在子模块的投入优先级更低，通过减少电容器温度高于平均温度的子模块投入时间，增加电容器温度低于平均温度的子模块投入时间，获得参与热平衡控制的子模块开关信号，从而平衡电容器损耗功率，优化电容器热分布。本实施例采用电容电压平衡控制器根据热平衡电容电压参考信号相对大小重新分配子模块开关信号，降低温度偏高的电容器所在的子模块的投入时间，从而降低电容器损耗。
[0038]
本发明上述实施例降低了电容器热分布的不平衡性，提高了电容器组整体的寿命和可靠性，同时不影响级联型高压储能变流器的输出电能质量。
[0039]
在一些实施例中，电容器温度为电容器整体结构中的热点、平均或关键点温度值，电容器整体结构包括电容器或电容器组的外壳和内部。具体的，可以采用电容温度监测模块监测或估算桥臂全体或局部电容器的热点温度，电容器温度的监测或估算方式，可采用
电容器外壳热电偶测温或光纤测温以及电容器内置热电偶或光纤测温的任一种测量方式。
[0040]
在一些实施例中，在s2中，热平衡控制器根据单个电容器的测量或估算温度和电容器平均温度，计算二者温度偏差作为热平衡控制器的输入，经过比例-积分控制环节或比例控制环节后输出热平衡系数ki。本发明实施例中，热平衡控制器用于生成热平衡控制系数，把全部电容器的温度控制于平均温度，降低电容器温度的不平衡性。
[0041]
在一些实施例中，在s3中，采用电容电压监测模块提取电容器直流电压和电容器电压波动。具体的，电容器直流电压为级联型高压储能变流器稳定运行状态下子模块电容器的直流电压分量，根据电容电压监测模块的监测结果，采用周期平均法方式获得；具体的，电容器电压波动值δu
c_i
，为电容器瞬时电压采样值与电容器平均电压值之差。本发明实施例中，电容电压监测模块能监测电容器直流电压分量和电压波动分量。
[0042]
在一些实施例中，s4中的电容电压平衡控制器，用于维持电容器直流电压的平衡。具体地：电容电压平衡控制器采用排序平衡算法，根据级联型高压储能变流器桥臂参考输出电压和子模块调制方式确定桥臂全部子模块的开关信号；根据各子模块热平衡电容电压的大小对子模块进行重新分配排序；设定桥臂电流流入子模块为电流正方向，若桥臂电流为正，优先使热平衡电容电压参考值较小的子模块投入；若桥臂电流为负，优先使热平衡电容电压参考值较大的子模块投入。本发明实施例中，采用上述排序平衡算法，用于同时平衡电容器温度和电容器电压，可以更好地实现电容器热平衡，不影响级联型高压储能变流器输出电能质量。
[0043]
在具体实施例中，热平衡控制器和电容电压平衡控制器的控制方式，适用于采用最近电平逼近调制、载波层叠调制和载波移相调制的级联型高压储能变流器。可选的，针对局部电容器进行热平衡控制时，电容器的平均温度、热平衡控制器和电容电压平衡控制器的作用对象均为局部电容器。
[0044]
在一些实施例中，电容器直流电压的积分计算公式的数值解，采用计算机程序可执行的数值积分法求解，具体的，采用数值积分法中的梯形积分法：
[0045][0046]
其中，uc(k)为k时刻的电容器直流电压的数值解，uc(k-1)为k-1时刻的电容器直流电压的数值解，uc(k-1)和uc(k-1)分别为k-1时刻和k时刻的子模块电容电压采样值。
[0047]
本发明上述各实施例中，热平衡优化范围为减小级联型高压储能变流器同一桥臂上全体或部分子模块电容器之间的温度不平衡度。
[0048]
本发明上述各实施例中，热平衡控制器、电容电压平衡控制器，可通过包括但不限于计算机、dsp数字信号处理器或fpga现场可编程门阵列在内的硬件设备和相应的程序代码实现。
[0049]
基于相同的技术构思，在本发明另一实施例中，提供一种级联型高压储能变流器子模块电容器热平衡控制系统，包括：电容温度监测模块、热平衡控制器、电容电压监测模块以及电容电压平衡控制器，其中，电容温度监测模块对级联型高压储能变流器系统一个桥臂上全部或局部电容器温度进行监测，根据测量或估算所得到的电容器热点、平均或关键点温度值，计算得到各子模块电容器平均温度；热平衡控制器根据桥臂中单个子模块电容器温度与得到的桥臂全体子模块电容器平均温度的偏差，生成热平衡系数；电容电压监
测模块提取电容器电压波动值，将其与热平衡系数相乘，再与电容器直流电压相加，得到热平衡电容电压参考值；电容电压平衡控制器根据得到的热平衡电容电压参考值与级联型高压储能变流器桥臂电流的方向，通过电容电压平衡控制器进行子模块开关信号重新分配，其中，热平衡电容电压波动幅度更大的电容器所在子模块的投入优先级更低，通过减少电容器温度高于平均温度的子模块投入时间，增加电容器温度低于平均温度的子模块投入时间，获得参与热平衡控制的子模块开关信号，均衡电容器损耗功率，实现电容器热平衡。
[0050]
本实施例中各模块的具体实现技术可以采用上述的级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法的步骤中实现技术，在此不再赘述。
[0051]
基于相同的技术构思，在本发明另一实施例中，提供一种级联型高压储能变流器子模块电容器热平衡控制装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时用于执行所述的级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法。
[0052]
基于相同的技术构思，在本发明另一实施例中，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时用于执行所述的级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法。
[0053]
为了更好地理解本发明的技术方案，以下通过具体的应用来进行说明。
[0054]
图1为本发明一实施例的控制方法示意图。图2为本发明一实施例的系统控制框图。本实施例方法涉及的模块主要包含四个：电容温度监测模块、电容电压监测模块、热平衡控制器和电容电压平衡控制器，可用在包括但不限于半桥、全桥型级联型高压储能变流器中。本实施例中级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法，具体包括如下环节：
[0055]
步骤1：采用电容温度监测模块对级联型高压储能变流器系统一个桥臂上全部或局部电容器温度进行监测，根据测量或估算所得到的电容器热点、平均或关键点温度值，计算得到子模块电容器平均温度，该步骤在电容温度监测模块中进行。
[0056]
设变流器一个桥臂上有n个子模块，子模块的直流支撑电容器为单个电容器或多个电容器组成的电容器组，电容温度监测模块对全部n个或局部n个子模块的电容器或电容器组的温度同时进行监测。电容器温度为电容器整体结构中的热点、平均或关键点温度值，电容器整体结构包括电容器或电容器组的外壳和内部。具体所采用的温度监测或估算方法根据测温区域的位置和测量的方便性而决定，可采用电容器外壳热电偶测温或光纤测温以及电容器内置热电偶或光纤测温的任一种测量方式。
[0057]
根据电容器或电容器组的温度监测数据，计算电容器的平均温度t
hs_avg
。
[0058]
本步骤中所获得的各电容器温度和电容器平均温度作为热平衡控制器的输入。
[0059]
步骤2：根据桥臂单个子模块电容器温度与桥臂全体子模块电容器平均温度的偏差，采用热平衡控制器生成热平衡系数；
[0060]
热平衡控制器用于生成热平衡系数，调节电容器的温度回归至平均温度。热平衡控制器的具体控制方法可采用比例-积分控制或比例控制任一种。本实施例采用了比例-积分控制。各电容器温度和电容器平均热点温度输入热平衡控制器后做差，经过比例-积分环节，输出热平衡控制系数，比例积分环节的具体表达式为：
[0061]ki
＝aδt
hs_i
+b∫δt
hs_i
dt
[0062]
δt
hs_i
＝t
hs_i-t
hs_avg
[0063]
其中，a为比例控制系数，b为积分控制系数，δt
hs_i
为单个电容器温度与平均热点温度之差，t
hs_avg
为电容器平均温度，t
hs_i
为桥臂上第i个电容器的温度。
[0064]
步骤3：采用电容电压监测模块提取电容器电压波动值δu
c_i
，并与热平衡系数ki相乘，并与电容器直流电压uc相加，得到热平衡电容电压u'
c_i
。
[0065]
电容器的直流电压uc采用周期平均法获得，具体计算公式为：
[0066][0067]
其中，t为级联型高压储能变流器的工频周期，u
c_i
为电容器瞬时电压值。
[0068]
在计算机程序中实现电容器直流电压的积分运算时，采用计算机程序可执行的数值积分法，表达式为：
[0069][0070]
电容器的电压波动值δu
c_i
由电容器电压瞬时值与电容器的平均电压做差得到，表达式为：
[0071]
δu
c_i
＝u
c_i-uc[0072]
步骤4：根据得到的热平衡电容电压与级联型高压储能变流器桥臂电流的方向，通过电容电压平衡控制器进行电容电压平衡。
[0073]
电容电压平衡控制器采用排序平衡算法，当桥臂电流大于0时，对热平衡电容电压进行从小到大的升序排列，排序靠前的子模块，即热平衡电容电压相对更大的子模块优先被投入；
[0074]
同理，当桥臂电流小于0时，对热平衡电容电压进行从大到小的降序排列，排序靠前的子模块，即热平衡电容电压相对更小的子模块优先被投入。
[0075]
当某一子模块的电容器温度相对其余电容器更高，该电容器的热平衡系数为正值，因此该电容器的热平衡电容电压相对其余电容器的热平衡电容电压更大。当桥臂电流大于0时，该子模块排序优先级相对靠后，子模块被投入的概率降低，桥臂电流流经该电容器产生的功率损耗降低，从而使该电容器的温度降低至平均热点温度。同理，若电容器的热点温度相对其余电容器偏低，控制方法将使该电容器所在的子模块投入概率增加，使电容器的热点温度升高至平均热点温度。
[0076]
本实施例中的热平衡控制器和电容电压平衡控制器的控制方式，适用于采用最近电平逼近调制、载波层叠调制和载波移相调制的级联型高压储能变流器和级联全桥变流器。
[0077]
本发明降低了电容器热分布的不平衡性，提高了电容器组整体的寿命和可靠性，同时不影响级联型高压储能变流器的输出电能质量。
[0078]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。